Fachbereich Technik
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Rainbows, water droplets, and seeing—slow motion analysis of experiments in atmospheric optics
(2011)
Many physics processes underlying phenomena in atmospheric optics happen on a rather short time scale such that neither the human eye nor video cameras are able to analyze the details. We report applications of high-speed imaging of laboratory experiments in atmospheric optics with subsequent slow motion analysis. The potential to study respective transient effects is investigated in general and for a few phenomena in detail, in particular for rainbow scattering due to single oscillating droplets during free fall, and for light propagation effects through atmospheric paths with turbulences, leading, e.g., to scintillation of stars or shimmering of mirage images.
© 2011 Optical Society of America
Model simulations of laboratory-generated and natural crepuscular rays are presented. Rays are created in the laboratory with parallel light beams that pass through artificial fogs and milk–water solutions. Light scattered by 90° in a dilute mixture of whole milk first increases in intensity with distance from the source to a maximum as a result of multiple scattering by mainly small angles before decreasing exponentially due to extinction as distance continues to increase. Crepuscular rays are simulated for three cloud configurations. In case 1, the Sun at the zenith is blocked by a cloud with an overhanging anvil. The rays appear white against blue sky and are brightest when atmospheric turbidity, β≈11 . Shading by the anvil separates maximum brightness from apparent cloud edge. In case 2, a ray passes through a rectangular gap in a cloud layer. The ray is faint blue in a molecular atmosphere but turns pale yellow as β and solar zenith angle, ϕsun , increase. At ϕsun=60° it appears most striking when the cloud is optically thick, β≈5 , and the beam width Δx≈1000 m . In these cases, increasing aerosol radius, raer , to about 1000 nm brightens, narrows, and shortens rays. In case 3, the twilight Sun is shaded by a towering cloud or mountain. The shaded rays are deeper blue than the sunlit sky because the light originates higher in the atmosphere, where short waves have suffered less depletion from scattering. The long optical path taken by sunlight at twilight makes color and lighting contrasts of the rays greatest when the air is quite clean, i.e., for β−1≪1 . In all cases, the brightest rays occur when sunlight passes through an optical thickness of atmosphere, τ≈O(1) .
© 2011 Optical Society of America
Gasdetektion mit Infrarotkameras ist eine relativ neue Anwendung. Aufgrund der industriellen Bedeutung einiger Gase wurden sensitive Kameras mit Schmalbandfiltern entwickelt. Heute gibt es kommerzielle Systeme für die Detektion flüchtiger Kohlenwasserstoffe, Schwefelhexafluorid und Kohlenmonoxid. In dieser Arbeit werden Laborergebnisse der Detektion von CO2 vorgestellt und potenzielle Anwendungen diskutiert.
Strahlungsgesetz und Augenempfindlichkeit: Bemerkungen zu einer klassischen Fehlinterpretation
(2001)
Porträts von Naturwissenschaftlern und sachliche Darstellungen aus der Physik finden sich in zahlreichen Bereichen des täglichen Lebens, insbesondere auch auf vielen Banknoten. Die Auswahl -- vorgegeben durch die politisch inspirierte Motivwahl der Notenbanken -- stellt eine interessante Reise durch die Wissenschaftsgeschichte dar.
Gespiegelt in besondern Düften …: Oasen, Seeungeheuer und weitere Spielereien der Fata Morgana
(1998)
„Wer die Natur liebt, der braucht das Beobachten ihrer Erscheinungen wie die Luft zum Atmen.” — So formulierte Marcel Minnaert das Bedürfnis der Naturbeobachtung im Vorwort seines berühmten Buchs „Licht und Farbe in der Natur” [1]. Bekannte Beispiele für Naturerscheinungen in der Atmosphäre sind Luftspiegelungen, Regenbögen und Halos. Diese optischen Phänomene bieten nicht nur faszinierende Anblicke, sondern beinhalten auch genügend Aspekte für eine interessante Physik (z. B. [2]). — Der vorliegende Artikel geht von grundlegenden physikalischen Betrachtungen aus und zeigt, daß sich alle Phänomene atmosphärischer Optik übersichtlich klassifizieren lassen. Luftspiegelungen werden exemplarisch im Detail behandelt. Viele nützliche Informationen findet man in Standardwerken [1, 3–5]; den aktuellen Stand der Forschung in Konferenzberichten, z. B. [6].
Das ist ein seltsam wunderbares Zeichen! Ein Streifzug durch die Kulturgeschichte des Regenbogens
(2000)
Max Planck legte 1900 mit dem nach ihm benannten Strahlungsgesetz das quantitative Fundament zu so genannten Wärmebildsystemen. 100 Jahre später gibt es — mit bedingt durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie und Mikrosystemtechnik — Infrarotkameras, mit denen sowohl die von Planck untersuchten Strahlungsgesetze zur Hohlraumstrahlung als auch allgemein wissenschaftliche und technische Anwendungen der Temperaturstrahlung von Körpern untersucht werden können. Darüber hinaus bieten sich solche Systeme auch für didaktische Zwecke an, da physikalische Gesetzmäßigkeiten mit Energieaustauschprozesssen aus sehr vielen Gebieten der Physik durch eine etwas andere, physikalische Sehweise visualisiert und damit für Lehrzwecke eingesetzt werden können.
Wahlverhalten von Schülern der Sekundarstufe II im Fach Physik seit 1990 im bundesweiten Vergleich
(2000)
Coole Experimente
(2001)
Experimente mit flüssigem Stickstoff kommen in der Lehre - vor allem an Hochschulen - bislang zu kurz. Dabei gibt es schöne Versuche aus nahezu allen Bereichen der Physik, die in Lehrveranstaltungen relativ einfach vorgeführt werden können. Wir stellen hier einige Experimente vor, die eindrucksvoll demonstrieren,wie sich physikalische Eigenschaften bei tiefen Temperaturen ändern.
Es werden eine Reihe einfacher Freihandexperimente zum Thema Unterdruck vorgestellt. Viele der Beispiele sind vom grundlegenden Aufbau her bekannt, gestatten jedoch neue Varianten, Erweiterungen bzw. die Korrektur von Fehlvorstellungen. Neben der Druckmessung in Einmachgläsern und der Funktionsweise von Ausgussreinigern und Saughaken werden Druck- sowie Tragfähigkeitsmessungen an Staubsaugern diskutiert. Des weiteren wird untersucht, welche Saughöhe per Strohhalm realisiert werden kann. Es wird eine physikalisch einleuchtende, aber dennoch verblüffende Erweiterung des Versuchs mit dem umgedrehten Wasserglas präsentiert.
Die moderne optische Spektroskopie kann geringste Substanzmengen nachweisen. Für schnelle Routinemessungen reichen konventionelle Zweistrahl-Spektralphotometer. Eine wesentlich höhere Nachweisempfindlichkeit im ppm- oder sogar ppb-Bereich ermöglichen das Atomabsorptions-Spektrometer (AAS) und das Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR). Ein AAS atomisiert die Probe vollständig und weist dann einzelne Elemente nach. Deshalb ist es zum Beispiel für die Schwermetall-Analyse geeignet. Bei der Analyse von Molekülen dominieren heute FTIR-Geräte. Ihr Herzstück ist meist ein Michelson-Interferometer. Zusammen mit schnellen Fourier-Algorithmen erlaubt es, sehr schnell breite Spektren aufzunehmen. Stationäre und mobile FTIR-Geräte können vielfältig eingesetzt werden.
Physikdidaktik in Deutschland: Ergebnisse einer Umfrage der Europäischen Physikalischen Gesellschaft
(2003)
Aufgrund einer Initiative der Division of Education der europäischen physikalischen Gesellschaft (EPS) wurde eine europaweite Umfrage zur Physiklehrerausbildung und Forschung in Bereich Fachdidaktik der Physik durchgeführt. Insgesamt wurden Fachleute in 30 Ländern befragt. Da in der Bundesrepublik bezüglich der Lehrerausbildung mit den 16 verschiedenen Regularien der Bundesländer quasi ein kleines Europa existiert, wurde zusätzlich jeweils mindestens ein Fachdidaktiker in jedem Bundesland befragt, um für Deutschland eine detaillierte Analyse vornehmen zu können. Insgesamt ergab sich in Deutschland ein Rücklauf von 22 Fragebögen aus den 16 Bundesländern. Die wesentlichen Ergebnisse der deutschen Umfrage werden im Zusammenhang mit früheren Studien und Empfehlungen zur Fachdidaktik vorgestellt.
Die Physik der Haushaltsmikrowelle ist erstaunlich reichhaltig: Sie umfasst die Erzeugung von Mikrowellen in Magnetrons, Wellenleiter und Resonatoren für elektromagnetische Felder, die dielektrische Relaxation bei der Orientierungspolarisation von Wasser, und die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen in Materie. Eine Abschätzung der Bedingungen für Multiphotonenionisation und Dissoziation zeigt, dass Haushaltsmikrowellen Speisen chemisch nicht verändern können.
Haushaltsmikrowellen bieten ein interessantes Feld für einfache, teilweise spektakuläre Vorführexperimente. Mit Thermofaxpapier und Infrarotkamera lassen sich zum Beispiel die Modenverteilungen des Zentimeterwellenfeldes im Garraum sichtbar machen. Eine Reihe von Versuchen kann die Absorption durch Metalle zeigen, besonders interessant sind dabei dünne Drähte und Drahtspitzen: Lampenbirnen glühen und Wunderkerzen zünden von selbst. Mikrowellen können auch Entladungslampen starten, Wasser im Eisblock erhitzen und Eier explodieren lassen.
In den letzten Jahren gab es einen wahren Boom von Neugründungen so genannter Science Center. Sie sollen die Naturwissenschaften insbesondere die Physik für einen breiten Personenkreis erfahr- und lernbar machen. In loser Folge werden wir einige dieser Center im deutschsprachigen Raum vorstellen. Der vorliegende einführende Beitrag gibt eine kurze Übersicht über Konzepte, Anliegen und Trends dieser Einrichtungen.
Koronen sind farbige Ringsysteme um Sonne oder Mond. Sie entstehen in der Atmosphäre durch Beugung des Lichts an Wassertropfen in Wolken oder anderen kleinen Teilchen. Wichtig ist dabei, dass die Wolken optisch dünn sind. Dann streut das Licht auf seinem Weg von der Lichtquelle ins Auge des Beobachters nur an einem einzigen Tropfen. Außerdem sollten die streuenden Teilchen eine möglichst enge Größenverteilung haben. Erst dann wird die Korona in voller Ausprägung mit zentraler Aureole und mehreren farbigen Ringen sichtbar. Ihre grundlegenden physikalischen Eigenschaften lassen sich durch Beugung an einer einfachen Kreisblende verstehen. Genaue Resultate liefert die Mie-Theorie. Koronen können mit Computersimulationen und einfachen Experimenten gut im Unterricht behandelt werden. Aus den Abmessungen einer Korona lässt sich die Tröpfchengröße ermitteln.
Bei Interferometrie denkt man an teure optische Aufbauten. Doch für Schulversuche geht es viel einfacher. Auf einem Küchentisch lassen sich mit Laserpointern oder Laserdioden, Glasplättchen, Spiegeln, Linse und Knetgummi in wenigen Minuten komplette Interferometer aufbauen. Wir konnten das mit funktionsfähigen Jamin-, Michelson- und Mach-Zehnder-Interferometern demonstrieren. Sie erlauben sogar Versuche mit Proben, zum Beispiel die Bestimmung der Brechzahl von erhitzter Luft.
Kann man sich mit seinem Segelboot fortbewegen, indem man ins eigene Segel bläst? Der Impulssatz erlaubt diesen an Münchhausen erinnernden Effekt. Das demonstriert ein vereinfachtes Gedankenexperiment, bei dem der Segler durch den Werfer eines Balls und das Segel durch eine starre Wand ersetzt wird. Allerdings ergibt die naive Theorie, die Luftmoleküle als ballähnliche Korpuskeln auffasst, einen zu hohen Impuls des reflektierten Luftstroms. Eine realistische Beschreibung liefert die moderne Strömungstheorie. Ihre Resultate sind experimentell erfolgreich umsetzbar. Technisch angewendet wird das Prinzip in der Schubumkehr von Flugzeugtriebwerken.